JP2004525507A6

JP2004525507A6 - Laser structure and method for adjusting predetermined wavelength

Info

Publication number: JP2004525507A6
Application number: JP2002563572A
Authority: JP
Inventors: シュテッグミュラー，ベルンハルト
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2005-01-06

Abstract

本発明は、半導体基板上に、第１共振器、第２共振器、および、第３共振器を備える、レーザー構造に関するものである。第２共振器、および、第３共振器は、環状共振器として構成されており、第１発振器付近および第２発振器付近の少なくとも１つの共通領域に、第１共振器および第２共振器のそれぞれに対して、十分な一定間隔をあけて配置されている。所定波長の定在波を、第１共振器に形成できるように、第２共振器は、第１共振器に光結合されており、第３共振器は、第２共振器を介して、または、直接、第１共振器に、光結合される。The present invention relates to a laser structure including a first resonator, a second resonator, and a third resonator on a semiconductor substrate. The second resonator and the third resonator are configured as annular resonators, and each of the first resonator and the second resonator is provided in at least one common region near the first oscillator and the second oscillator. In contrast, they are arranged at a sufficiently constant interval. The second resonator is optically coupled to the first resonator so that a standing wave of a predetermined wavelength can be formed in the first resonator, and the third resonator is connected via the second resonator, or , Directly optically coupled to the first resonator.

Description

本発明は、レーザー構造（Ｌａｓｅｒｓｔｒｕｋｔｕｒ）および所定波長の調節方法に関するものである。
【０００１】
調節可能な狭周波数帯の放射波長を有するレーザーダイオードは、光信号通信技術および光信号処理技術において重要な構成部品である。１Ｔビット／秒を越える極めて高いデータ通信速度を達成するためには、所定の放射波長の調節、および、異なる波長（いわゆる「搬送周波数」）を有する様々な信号の結合（Ｅｉｎｋｏｐｐｌｕｎｇ）が、必要不可欠である。
【０００２】
分布帰還型構造（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ−Ｓｔｒｕｋｔｕｒ）、または、分布ブラッグ反射型構造（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｂｒａｇｇ−Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ−Ｓｔｒｕｋｔｕｒ）によって波長が選択されるレーザーダイオードが公知である。このような構造の場合、光波は、光導波路（ｌｉｃｈｔｌｅｉｔｅｎｄｅｎＳｔｒｅｉｆｅｎ）、または、光導波薄膜において、生成され、導かれる。この光導波、または、薄膜は、同時に活性領域でもある。薄膜に沿った誘導は、コア領域とクラッド領域との間の屈折率の差により達成される。コア領域の厚さの周期的な変化は、ブラッグ条件に基づき、光散乱、および、生成される波長の一部の妨害に繋がってしまう。
【０００３】
分布ブラッグ反射型構造の場合、活性光学薄膜の末端領域におけるコア領域厚の周期的な変化を、共振器ミラー（Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｐｉｅｇｅｌｎ）の代わりに使用する。これにより、特定波長の光を反射によって特異的に選択した後、増幅することができる。
【０００４】
これに対し、分布帰還型構造の場合、コア領域厚の周期的な変化は、活性光学薄膜の全体にわたり伝搬する。これにより、特定波長の場合にのみ、特異的に、光励起（ｏｐｔｉｓｃｈｅＡｎｒｅｇｕｎｇ）が生じる。
【０００５】
レーザー波長の調節は、主に、物理作用によって、レーザー共振器の共振波長を調節することによって行われる。例えば、共振波長は、活性光学薄膜を通る電流フロー、活性光学薄膜の印加電圧、または、活性光学薄膜に行き渡った温度により影響を受けることがある。
【０００６】
あるいは、レーザー波長の調節は、特定の波長が選択されるような、様々な線形独立型共振器（Ｅｉｎｚｅｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｅｎ）を、光結合（Ｖｅｒｋｏｐｐｌｕｎｇ）することによって行うこともできる。最も知られている、線形独立型共振器は、ファブリ・ペロー共振器（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ−Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）、分布帰還型共振器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ−Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）、および、分布ブラッグ反射型共振器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｂｒａｇｇ−Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ−Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）である。分布ブラッグ反射型共振器は、対向する共振器ミラーを有する共振器であり、この共振器ミラーは、とりわけ、表面放射レーザー（ＶＣＳＥＬ＝ｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒ）に使用される。この場合、共振器ミラーは、ＶＣＳＥＬ基板の横断面（Ｅｎｄｆｌａｅｃｈｅｎ）に配置されている。
【０００７】
線形独立型共振器間の光結合が比較的弱いと、線形独立型共振器を有する光学部材は、数１００μｍにまで及ぶことが必要となる。特に、光学部材が製造されることによって、成長したエピタキシー層面に、波分布（Ｗｅｌｌｅｎａｕｓｂｒｅｉｔｕｎｇ）が伝搬する場合が、この場合に該当する。
【０００８】
日本国特許公報第０４３４９６８２号Ａ（ＪＰ０４３４９６８２Ａ）には、光通信用光源が開示されている。この光通信用光源は、広範囲の周波数帯域にわたり、高い光出力パワー（Ｌｉｃｈｔ−Ａｕｓｇａｎｇｓｌｅｉｓｔｕｎｇ）を制御でき、また、上記光出力パワー（ｏｐｔｉｓｃｈｅｎＡｕｓｇａｎｇｓｌｅｉｓｔｕｎｇ）の広範囲にわたり、単一の波長で作用する。ここでは、結合モードの半導体レーザーが適用される。この場合、第１半導体レーザー部は、共振器によって、第２半導体レーザー部に光結合される。ここでは、上記第１半導体レーザー部は、より高い出力パワーで作用し、第２半導体レーザー部は、単一の波長により作用する。この場合、第２半導体レーザー部として、ＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋ）環状レーザーを適用できる。この場合、２つの半導体レーザー部は、２つの分離独立型共振器を構成している。
【０００９】
Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１６，Ｓ．１２４４−１２４６（１９９７）では、２つの導波路（Ｗｅｌｌｅｎｌｅｉｔｅｒ）が、環状、または、ディスク型共振器によって、互いに光結合されている。この場合、上記環状またはディスク型共振器が、スイッチング素子の役割を果たしている。これにより、一方の導波路によって導かれた光信号も、他方の導波路によって伝送するかどうかを、制御することが可能である。しかし、この場合、狭周波数帯の放射波長の変化の調節はない。環状共振器の製造に関しては、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．２０，Ｓ．２６０８−２６１０（１９９５）を参照する。
【００１０】
分離独立型共振器の共振周波数に、物理的な影響を及ぼす独立型共振器が光結合した結合体は、確かに、狭周波数帯の波長の放射を可能とするが、構成部品サイズが、数１０μｍ^２（ｍｅｈｒｅｒｅｎ０．０１ｍｍ^２）にまで大きくなってしまう。さらに、分離独立型共振器の製造は、非常に複雑であるので、コストがかかる。この原因は、分布帰還型共振器および分布ブラッグ反射型共振器の場合、コア領域厚が、複雑に周期的に変化し、ファブリ・ペロー共振器の場合、共振器の端部に、光を高反射する対向ミラーを製造することが困難であるためである。
【００１１】
従って、本発明は、上記の課題に鑑み、その目的は、上述の従来技術と比較して、構成部品サイズがより小さく、狭周波数帯の波長の放射を達成できる、レーザー構造、および、所定波長の調節方法を提供することである。
【００１２】
上記の課題は、独立特許請求の範囲の特徴を有する、レーザー構造、および、所定波長の調節方法により達成される。
【００１３】
半導体基板上のレーザー構造は、第１共振器、第２共振器、および、第３共振器を備えている。第２共振器、および、第３共振器は、それぞれ、環状共振器として構成されており、第１共振器の付近、または、第２共振器の付近における少なくとも１つの共通部分（ｇｅｍｅｉｎｓａｍｅｎＡｂｓｃｈｎｉｔｔ）に、第１共振器または第２共振器から、ほぼ一定間隔をあけて配置されている。したがって、所定波長の定在波を第１共振器において形成できるように、第２共振器は、第１共振器に光結合され、第３共振器は、第２共振器を介して、または、直接、第１共振器に、光結合されている。
【００１４】
共振器が、別の共振器付近に、その別の共振器からほぼ一定間隔をあけて配置された上記共通部分は、２つの共振波の光学的な波動関数の十分な重複部分を確保するために、少なくとも数個の放射レーザー光線のための波長を有している。この重複部分が、２つの共振器の共振周波数に影響を与えることによって、放射レーザー光線を調節できる。
【００１５】
所定波長の調節方法では、以下の工程が実施される。
半導体基板上のレーザー構造に第１共振器を備える工程。環状共振器を、第２共振器として、第１共振器の付近の少なくとも１つの共通部分に、第１共振器からほぼ一定間隔をあけて配置する工程。別の環状共振器を、第３共振器として、第２共振器の付近、または、第１共振器の付近の少なくとも１つの共通部分に、第２共振器、または、第１共振器から、ほぼ一定間隔をあけて配置する工程。所定波長の定在波を第１共振器において形成できるように、第２共振器を第１共振器に光結合し、第３共振器を、第２共振器を介して、または、直接、第１共振器に光結合する工程。
【００１６】
本発明の利点は、本発明に基づくレーザー構造が、数１００μｍ^２の構成部品サイズ、好ましくは、１００μｍ^２の最大構成部品サイズであることである。この場合、実際の構成部品サイズは、共振器の数、所望の波長、および、使用する構成部品材料に依存する。従って、本発明に基づくレーザー構造は、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ回路（ＶＬＳＩ回路＝ｖｅｒｙｌａｒｇｅｓｃａｌｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ））に適している。
【００１７】
本発明の他の利点は、異なる大きさの環状共振器を、互いに入れ子状（Ｉｎｅｉｎａｎｄｅｒｓｃｈａｃｈｔｅｌｎ）とした場合に、ごく省スペースで共振器の光結合を行うことができ、その結果、構成部品サイズがいっそう縮小される。さらに、ほんの数パーセントだけ共振波の異なる共振器を光結合する場合、所望の放射波長を、ノニウス効果（Ｎｏｎｉｕｓ−Ｅｆｆｅｋｔｅｓ）に基づき調節できる。その結果、所望の放射波長に応じて、いくつかの共振器が、スイッチング素子として作用する他の共振器によって、互いに光結合される。
【００１８】
最後に、本発明において単一の環状共振器を使用する場合、共振器の製造経費が削減されるというさらに他の利点も生じる。この理由は、分布帰還型共振器、および、分布ブラッグ反射型共振器を省略することにより、コア領域厚を、複雑に周期的に変化させる必要がなく、ファブリ・ペロー共振器を省略することにより、共振器の端部に、光学的に高反射する対向するミラーを形成する必要がないからである。従って、光学構成部品のための製造経費も、著しく削減される。
【００１９】
本発明に基づくレーザー構造は、第３共振器と、第２共振器とが、同一平面上に、互いに入れ子状に配置されるように構成することが好ましい。例えば、第２共振器と第３共振器とを第１平面に配置する一方、第１共振器を、第１平面に対して平行な平面に配置する。あるいは、第３共振器と第２共振器とを、平行な面に互いに隣り合うように配置することもできる。
【００２０】
本発明に基づくレーザー構造は、上記３つの共振器のそれぞれの光結合が、少なくとも１つの外部パラメータにより変更できるように構成することが好ましい。このように備えられたレーザー構造により、使用者は、第１共振器の所定波長に影響を与えることができる。第２共振器、および、第３共振器の共振周波数は、外部パラメータに応じて、変化させて調節することができる。第２共振器、および、第３共振器を、第１共振器に光結合することにより、所定のレーザー波長を第１共振器において調節する。
【００２１】
電流フロー、温度、および印加電圧が、外部パラメータ群に含まれることが好ましい。
【００２２】
本発明に基づくレーザー構造の好ましい形態では、少なくとも１つの他の環状共振器が、第１共振器に、直接、または、第２共振器を介して、光結合（Ａｎｋｏｐｐｌｕｎｇ）されている。第１共振器に、他の共振器を、直接または間接的に光結合することにより、所定のレーザー波長を、第１共振器においてより高精度に調節できる。
【００２３】
本発明に基づくレーザー構造のほかの好ましい形態では、少なくとも１つのさらに別の共振器が、上記３つの共振器に隣り合わせて配置されている。この別の共振器により、各共振器間の、それぞれの光結合を制御できる。例えば、この別の共振器は、第１共振器と第２共振器との光結合を、オン、および、オフできるスイッチング素子として使用できるので、第１共振器における所定のレーザー波長の調節に影響を与えることができる。
【００２４】
本発明に基づくレーザー構造では、第２共振器、第３共振器、および、他の各共振器が、それぞれ、第１共振器の波長フィルターとして作用するように構成されることが好ましい。
【００２５】
本発明に基づくレーザー構造において、第２共振器、第３共振器、および、他の各共振器が、それぞれ、分布帰還型共振器、または、分布ブラッグ反射型共振器として構成されることが好ましい。
【００２６】
全ての共振器の電子光学的に活性な共振器領域は、ＩＩ−ＶＩ−、ＩＩＩ−Ｖ−、または、ＩＶ−ＩＶ−半導体物質からなる、量子井戸構造（ＱＷ＝ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ）または量子点構造（ＱＤ＝ｑｕａｎｔｕｍｄｏｔ）から構成されている。環状共振器は、擬似２次元、および、擬似３次元のリッジ導波管（Ｓｔｅｇｗｅｌｌｅｎｌｅｉｔｅｒ）、埋め込み型導波管、および／または、フォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｓｃｈｅＫｒｉｓｔａｌｌｅ）を備えることもできる。この場合、環状共振器の一部、あるいは、単一の環状共振器または複数の環状共振器も、受動導波管（ｐａｓｓｉｖｅｎＷｅｌｌｅｎｌｅｉｔｅｒｎ）により構成することもできる。
【００２７】
電流フローによる荷電粒子の注入、加熱素子による温度変化、シュタルク効果を制限した量子（ｑｕａｎｔｕｍｃｏｎｆｉｎｅｄｓｔａｒｋｅｆｆｅｃｔ）による供与電圧によって、電気接触部を介して、各共振器の一部、または、全ての導波管の増幅、吸収、変調、および検出を行うことが可能である。導波管構成部の屈折率は、温度変化によって変化する。したがって、対応する共振周波数、および、レーザー構造によって放射されたレーザー波長は、生じた変化に応じて、各共振器で変化する。
【００２８】
本発明に基づくレーザー構造は、基板を基礎としており、この基板にレーザー構造が集積されているか、あるいは、この基板上にレーザー構造が成長している。基板の材料として、例えば、ＩＩ−ＶＩ−、ＩＩＩ−Ｖ−、または、ＩＶ−ＩＶ−半導体物質を選択できる。本発明に基づくレーザー構造は、半導体製造における一般的な製造方法により製造できる。この製造方法には、例えば、エッチング、拡散、ドーピング、エピタキシー、埋め込み、および、リソグラフィーが含まれる。
【００２９】
第２共振器の別の共振器への光結合は、入れ子状にする方法、すなわち、場所を節約して行うことができる。このためには、環状共振器の構造が、特に適している。環状共振器のための形状としては、例えば、円形、楕円形、および多角形が可能である。これらの形状では、それぞれの共振器が、異なる大きさを有し、同一平面上に互いに入れ子状に配置されている。環状共振器の幾何学的な形状は、各共振器が、閉環形状を有する限り、あまり重要ではない。
【００３０】
同様に、共振器を３次元に配置することも可能である。すなわち、いくつかの共振器を、ある平面内に隣り合わせて配置する一方、他の共振器を、平行な面に隣り合わせに配置する。この他の共振器は、隣り合う共振器に対して同心円状に構成することもできる。共振器の間隔が等間隔である場合、平行な面における共振器の光結合は、エピタキシーのため、１次元の共振器の光結合よりも、少なくとも１０倍（Ｆａｋｔｏｒ）良好である。
【００３１】
本発明の実施形態を図に示し、以下に詳しく説明する。ここでは、同じ参照番号は同じ部材を示している。
【００３２】
図１は、本発明の第１実施形態のレーザー構造の平面図である。図２は、図１のレーザー構造の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図３は、本発明の第２実施形態に基づくレーザー構造の平面図である。図４は、本発明の第３実施形態のレーザー構造の平面図を示す。図５は、図４のレーザー構造の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【００３３】
図１は、本発明の第１実施形態に基づくレーザー構造１００の平面図を示す。レーザー構造１００は、レーザー光線を放射するために、ファブリ−ペロー共振器１１０を備えている。このファブリ・ペロー共振器１１０には、活性共振器領域１１１が、互いに平行に配置された２つの共振器ミラー１１２の間に備えられている。この活性共振器領域１１１には、電気接触部１１３を介して、電気エネルギーが供給される。
【００３４】
第１環状共振器１２０は、放射されるレーザー光線を調節するため、ファブリ・ペロー共振器１１０に、光結合されている。本発明に基づく本実施形態では、第１環状共振器１２０は、角を丸めた長方形の形状を有している。第１環状共振器１２０は、その２つの長辺側において平行配置されているので、ファブリ・ペロー共振器１１０から、隣のファブリ・ペロー共振器１１０までは、一定間隔をあけて配置されている。そして、第１環状共振器１２０は、ファブリ・ペロー共振器１１０から放射されるレーザー光線の波長フィルターとしての役割を果たす。電気接触部１２１は、第１環状共振器１２０にエネルギーを供給するため、第１環状共振器１２０に備えられている。
【００３５】
本発明の本実施形態では、それぞれ１つの電気接触部１２１を有する８個の第２環状共振器１３０が、第１環状共振器１２０によって包囲されたレーザー構造１００の領域に配置されており、しかも、第２環状共振器１３０が光結合することにより互いに相互作用するように配置されている。これにより、第２環状共振器１２０の共振周波数を調節でき、これに伴って、レーザー光を放射するファブリ・ペロー共振器１１０の波長をより正確に調節できる。
【００３６】
電気接触部１２１を有する第３環状共振器１４０は、各第２環状共振器１３０の内側に、隣り合わせて配置されている。ただし、第３環状共振器１４０の直径は、第２環状共振器１３０の直径より小さい。この場合、各第３環状共振器１４０は、まず最初に、各第３環状共振器１４０を取り囲む第２環状共振器１３０と光結合している。
【００３７】
さらに、それぞれ電気接触部１２１を有する、２個の第１制御共振器１５０および４個の第２制御共振器１６０が、第１環状共振器１２０により包囲された、レーザー構造１００の領域に配置されており、しかも、個々の環状共振器の光結合が、互いにオンおよびオフできるように配置されている。これにより、第１環状共振器１２０の共振周波数を正確に調節でき、その結果、レーザー構造１００全体として、狭周波数帯の波長の放射が可能となる。
【００３８】
レーザー構造１００の配列を説明するため、図２は、図１に示すレーザー構造１００の線Ａ−Ａに沿った断面２００を示す。断面２００から、レーザー構造２００は、基板２０１を基礎としていることが明らかとなる。
【００３９】
また、ファブリ・ペロー共振器１１０の活性共振器領域１１１、および、第１環状共振器１２０の断面も示している。この２つの共振器は、基板２０１の表面に対して平行な面に、隣り合わせて配置されている。また、この２つの共振器は、絶縁物質２０２によって、互いに電気的に絶縁されており、外界から電気的に絶縁されている。絶縁物質２０２としては、誘電物質を選択できる。あるいは、空気によって絶縁を行うことによって、絶縁物質２０２を完全に省略してしまうこともできる。
【００４０】
上記２つの共振器には、電気接触部１１３および１２１によって、電気エネルギーが供給される。この場合、この共振器には、電気エネルギーの流れ２０３が横に流れる。上記２つの共振器は、２０μｍまでの幅であり、互いに５μｍまでの間隔が開いている。
【００４１】
この共振器の光結合は、２つの共振波長間の光学的な重複部分に基づいて行われる。その結果、２つの共振器間に、光エネルギーの流れ２０４が可能となる。
【００４２】
図３は、本発明の第２実施形態に基づくレーザー構造３００の平面図を示す。
【００４３】
本発明の第１実施形態に基づくレーザー構造１００と異なり、活性共振器領域３１１、共振器ミラー３１２、および、電気接触部３１３を有する曲線状共振器３１０により、レーザー光が放射される。
【００４４】
第１環状共振器３２０内側に、よりサイズの小さな第２環状共振器３３０が配置されており、第３環状共振器３４０は、第２環状共振器３３０の１つに、互いに入れ子状に配置されている。
【００４５】
本実施形態の環状共振器は、第１環状共振器３２０、第２環状共振器３３０、第３環状共振器３４０の間の光結合を可能にするためにも、曲線状共振器３１０との光結合を可能にするためにも、楕円形の形状を有している。その結果、上記環状共振器は、いずれも、相互間で互いに隣り合うように配置され、少なくとも共通部分に、曲線状共振器３１０に対して、お互いにほぼ一定間隔をあけて、配置されている。
【００４６】
上記環状共振器を入れ子状にすることにより、第１実施形態に基づくレーザー構造１００と同じように、第２実施形態に基づくレーザー構造３００は、半導体基板に占める所要面積が少ない。
【００４７】
図４は、本発明の第３実施形態に基づくレーザー構造４００の平面図を示す。
【００４８】
図１で既に説明した部材については、ここで再度詳細に説明しない。
【００４９】
本実施形態のレーザー構造４００は、以下の（１）〜（３）の特徴が、第１実施形態のレーザー構造１００とは異なっている：
（１）入れ子状の第２環状共振器４２０を有する第１環状共振器４１０は、ファブリ・ペロー共振器１１０の面に対して、平行な面に、隣り合うように配置されている。図５の説明を参照。
（２）第１環状共振器４１０に加えて、互いに入れ子状の第３環状共振器４３０群、および、互いに入れ子状の第４環状共振器４４０群が、ファブリ・ペロー共振器１１０に、直接光結合されている。
（３）第２環状共振器４２０、第３環状共振器４３０、および、第４環状共振器４４０は、６角形である。
【００５０】
図５は、図４に示すレーザー構造４００の線Ｂ−Ｂに沿った断面５００を示す。この図では、とりわけ、複数の面における共振器の配列が明らかとなる。
【００５１】
前述の図で既に説明した部材については、ここで再度説明しない。
【００５２】
複数の平行な面に共振器を配列することにより、一方では、共振器の光結合が、一つの面で行われる。これにより、第１環状共振器４１０と、第２環状共振器４２０との間に、水平光エネルギーの流れ５０１が可能となる。他方では、隣り合う面間で共振器が光結合される。これにより、ファブリ・ペロー共振器１１０の活性共振器領域１１１と、第１環状共振器４１０との間に、垂直光エネルギーの流れ５０２が可能となる。
【００５３】
従って、放射レーザー波長は、放射共振器（ｅｍｉｔｔｉｅｒｅｎｄｅｎＲｅｓｏｎａｔｏｒ）に、独立して光結合するの混合体、すなわち、様々な共振器からの共振波の光学的な波動関数の複数の重複部分によって生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１実施形態におけるレーザー構造の平面図である。
【図２】
図１のレーザー構造の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】
本発明の第２実施形態におけるレーザー構造の平面図である。
【図４】
本発明の第３実施形態におけるレーザー構造の平面図である。
【図５】
図４のレーザー構造の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【符号の説明】
１００第１実施形態のレーザー構造
１１０ファブリ・ペロー共振器
１１１活性共振器領域
１１２共振器ミラー
１１３電気接触部
１２０第１環状共振器
１２１電気接触部
１３０第２環状共振器
１４０第３環状共振器
１５０第１スイッチング共振器
１６０第２スイッチング共振器
２００レーザー構造１００のＡ−Ａ断面
２０１基板
２０２絶縁物質
２０３電気エネルギーの流れ
２０４光エネルギーの流れ
３００第２実施形態のレーザー構造
３１０曲線状共振器
３１１活性共振器領域
３１２共振器ミラー
３１３電気接触部
３２０第１環状共振器
３３０第２環状共振器
３４０第３環状共振器
４００第３実施形態のレーザー構造
４１０第１環状共振器
４２０第２環状共振器
４３０第３環状共振器
４４０第４環状共振器
５００レーザー構造４００のＢ−Ｂ断面
５０１水平光エネルギーの流れ
５０２垂直光エネルギーの流れThe present invention relates to a laser structure and a method for adjusting a predetermined wavelength.
[0001]
Laser diodes with tunable narrow band emission wavelengths are important components in optical signal communication and optical signal processing technologies. In order to achieve very high data transmission rates in excess of 1 Tbit / s, it is essential to adjust the predetermined radiation wavelength and to combine various signals with different wavelengths (so-called “carrier frequencies”) (Einkopplung) It is.
[0002]
Laser diodes whose wavelengths are selected by a distributed feedback structure (Distributed-Feedback-Structur) or a distributed Bragg reflection structure (Distributed-Bragg-Reflector-Structur) are known. In the case of such a structure, the light wave is generated and guided in an optical waveguide or an optical waveguide thin film. This optical waveguide or thin film is also the active region. Guidance along the thin film is achieved by the difference in refractive index between the core region and the cladding region. Periodic changes in the thickness of the core region are based on Bragg conditions, leading to light scattering and some disturbance of the generated wavelength.
[0003]
In the case of a distributed Bragg reflection structure, a periodic change in the core region thickness in the end region of the active optical thin film is used instead of a resonator mirror (Resonator piegeln). Thereby, light of a specific wavelength can be amplified after being specifically selected by reflection.
[0004]
On the other hand, in the case of the distributed feedback structure, the periodic change in the core region thickness propagates throughout the active optical thin film. Thereby, only in the case of a specific wavelength, optical excitation (optische annealing) occurs specifically.
[0005]
The adjustment of the laser wavelength is mainly performed by adjusting the resonance wavelength of the laser resonator by physical action. For example, the resonant wavelength may be affected by the current flow through the active optical thin film, the applied voltage of the active optical thin film, or the temperature that has reached the active optical thin film.
[0006]
Alternatively, the laser wavelength can be adjusted by optically coupling various linearly independent resonators (Einzelresonators) such that a specific wavelength is selected. The most known linearly independent resonators are Fabry-Perot-Resonator, Distributed-Feedback-Resonator, and Distributed-Braggated Resonator. Bragg-Reflector-Resonator). A distributed Bragg reflector resonator is a resonator having opposing resonator mirrors, which are used, inter alia, in a surface emitting laser (VCSEL). In this case, the resonator mirror is arranged in a cross section (Endflachen) of the VCSEL substrate.
[0007]
When the optical coupling between the linear independent resonators is relatively weak, the optical member having the linear independent resonators needs to reach several hundreds of μm. In particular, this case corresponds to a case where a wave distribution propagates to the surface of the grown epitaxy layer by manufacturing the optical member.
[0008]
Japanese Patent Publication No. 04349682A (JP04349682A) discloses a light source for optical communication. The light source for optical communication can control a high optical output power (Licht-Ausgangstraining) over a wide frequency band, and operates at a single wavelength over a wide range of the optical output power (optischen Ausgangstraining). Here, a coupled mode semiconductor laser is applied. In this case, the first semiconductor laser unit is optically coupled to the second semiconductor laser unit by the resonator. Here, the first semiconductor laser unit operates with a higher output power, and the second semiconductor laser unit operates with a single wavelength. In this case, a DFB (distribution feedback) annular laser can be applied as the second semiconductor laser section. In this case, the two semiconductor laser parts constitute two separate independent resonators.
[0009]
Opt. Lett. , Vol. 22, no. 16, S.M. In 1244-1246 (1997), two waveguides (Wellenleiters) are optically coupled to each other by an annular or disk type resonator. In this case, the annular or disk resonator serves as a switching element. Thereby, it is possible to control whether or not the optical signal guided by one waveguide is also transmitted by the other waveguide. However, in this case, there is no adjustment of the change of the radiation wavelength in the narrow frequency band. Regarding the manufacture of annular resonators, Appl. Phys. Lett. , Vol. 66, no. 20, S.M. 2608-2610 (1995).
[0010]
A coupled body in which an independent resonator that physically affects the resonant frequency of a separate independent resonator is optically coupled can certainly emit a wavelength in a narrow frequency band, but its component size is several. It becomes large to 10 μm ² (mehren 0.01 mm ² ). Furthermore, the manufacture of a separate stand-alone resonator is very complicated and expensive. In the case of the distributed feedback type resonator and the distributed Bragg reflection type resonator, the core region thickness changes periodically in a complicated manner. In the case of the Fabry-Perot resonator, the light is increased at the end of the resonator. This is because it is difficult to manufacture a reflective mirror that reflects.
[0011]
Therefore, in view of the above-described problems, the present invention has a laser structure that has a smaller component size and can achieve emission of a wavelength in a narrow frequency band as compared with the above-described conventional technology, and a predetermined wavelength. Is to provide an adjustment method.
[0012]
The above object is achieved by a laser structure and a method for adjusting a predetermined wavelength having the features of the independent claims.
[0013]
The laser structure on the semiconductor substrate includes a first resonator, a second resonator, and a third resonator. Each of the second resonator and the third resonator is configured as an annular resonator, and is provided in the vicinity of the first resonator or at least one common part (gemeinsammen Abschnitt) in the vicinity of the second resonator. The first resonator or the second resonator is disposed at a substantially constant interval. Accordingly, the second resonator is optically coupled to the first resonator and the third resonator is connected via the second resonator, or so that a standing wave having a predetermined wavelength can be formed in the first resonator. Directly optically coupled to the first resonator.
[0014]
The common part in which the resonator is arranged in the vicinity of another resonator at a substantially constant interval from the other resonator ensures a sufficient overlap between the optical wave functions of the two resonance waves. And at least several wavelengths for the emitted laser beam. This overlap can affect the emitted laser beam by affecting the resonant frequency of the two resonators.
[0015]
In the method for adjusting the predetermined wavelength, the following steps are performed.
Providing a first resonator in a laser structure on a semiconductor substrate; Disposing the annular resonator as a second resonator in at least one common portion in the vicinity of the first resonator at a substantially constant interval from the first resonator; Another annular resonator as a third resonator, in the vicinity of the second resonator, or in at least one common part in the vicinity of the first resonator, from the second resonator or the first resonator, The process of arranging at regular intervals. The second resonator is optically coupled to the first resonator so that a standing wave of a predetermined wavelength can be formed in the first resonator, and the third resonator is connected to the first resonator via the second resonator or directly. Optical coupling to one resonator.
[0016]
An advantage of the present invention is that the laser structure according to the present invention has a component size of several hundred μm ² , preferably a maximum component size of 100 μm ² . In this case, the actual component size depends on the number of resonators, the desired wavelength, and the component material used. Therefore, the laser structure according to the present invention is suitable for a very large scale integrated circuit (VLSI circuit (VLSI circuit = very large scale integration)).
[0017]
Another advantage of the present invention is that, when annular resonators of different sizes are nested in one another, the resonators can be optically coupled in a very space-saving manner, resulting in a reduced component size. It is further reduced. Furthermore, when optically coupling resonators with different resonant waves by only a few percent, the desired emission wavelength can be adjusted based on the Nonius-Effects. As a result, depending on the desired emission wavelength, several resonators are optically coupled to each other by other resonators acting as switching elements.
[0018]
Finally, the use of a single annular resonator in the present invention has the further advantage that the manufacturing cost of the resonator is reduced. The reason for this is that by omitting the distributed feedback resonator and the distributed Bragg reflection resonator, the core region thickness does not need to be changed in a complicated and periodic manner, and the Fabry-Perot resonator is omitted. This is because it is not necessary to form an opposing mirror that highly reflects optically at the end of the resonator. Thus, the manufacturing costs for the optical components are also significantly reduced.
[0019]
The laser structure according to the present invention is preferably configured such that the third resonator and the second resonator are arranged in a nested manner on the same plane. For example, the second resonator and the third resonator are arranged on the first plane, while the first resonator is arranged on a plane parallel to the first plane. Or a 3rd resonator and a 2nd resonator can also be arrange | positioned so that it may mutually adjoin on a parallel surface.
[0020]
The laser structure according to the present invention is preferably configured such that the optical coupling of each of the three resonators can be changed by at least one external parameter. The laser structure thus provided allows the user to influence the predetermined wavelength of the first resonator. The resonance frequencies of the second resonator and the third resonator can be adjusted by changing according to external parameters. A predetermined laser wavelength is adjusted in the first resonator by optically coupling the second resonator and the third resonator to the first resonator.
[0021]
The current flow, temperature, and applied voltage are preferably included in the external parameter group.
[0022]
In a preferred form of the laser structure according to the invention, at least one other annular resonator is optically coupled to the first resonator, either directly or via a second resonator. By directly or indirectly optically coupling another resonator to the first resonator, the predetermined laser wavelength can be adjusted with higher accuracy in the first resonator.
[0023]
In another preferred form of the laser structure according to the invention, at least one further resonator is arranged next to the three resonators. With this separate resonator, the respective optical coupling between the resonators can be controlled. For example, this another resonator can be used as a switching element that can turn on and off the optical coupling between the first resonator and the second resonator, thereby affecting the adjustment of a predetermined laser wavelength in the first resonator. Can be given.
[0024]
In the laser structure according to the present invention, it is preferable that the second resonator, the third resonator, and each of the other resonators are configured to function as a wavelength filter of the first resonator.
[0025]
In the laser structure according to the present invention, the second resonator, the third resonator, and each of the other resonators are preferably configured as a distributed feedback resonator or a distributed Bragg reflection resonator, respectively. .
[0026]
The electro-optically active resonator region of all resonators has a quantum well structure (QW = quantum well) or a quantum dot structure made of II-VI-, III-V-, or IV-IV-semiconductor material. (QD = quantum dot). The annular resonator may also comprise a quasi-two-dimensional and quasi-three-dimensional ridge waveguide, a buried waveguide, and / or a photonic crystal. In this case, a part of the annular resonator, or a single annular resonator or a plurality of annular resonators can also be configured by a passive waveguide.
[0027]
Charged particles are injected by current flow, temperature changes by heating elements, and quantum-confined star-effect-provided voltage applied to some or all of the resonators via electrical contacts. Wave tube amplification, absorption, modulation, and detection can be performed. The refractive index of the waveguide component varies with temperature changes. Accordingly, the corresponding resonant frequency and the wavelength of the laser emitted by the laser structure will change at each resonator in response to the changes that occur.
[0028]
The laser structure according to the invention is based on a substrate, on which the laser structure is integrated, or on which the laser structure is grown. For example, II-VI-, III-V-, or IV-IV-semiconductor material can be selected as the substrate material. The laser structure according to the present invention can be manufactured by a general manufacturing method in semiconductor manufacturing. This manufacturing method includes, for example, etching, diffusion, doping, epitaxy, embedding, and lithography.
[0029]
The optical coupling of the second resonator to another resonator can be performed in a nested manner, i.e., saving space. For this purpose, an annular resonator structure is particularly suitable. The shape for the annular resonator can be, for example, circular, elliptical, and polygonal. In these shapes, the resonators have different sizes and are arranged in a nested manner on the same plane. The geometric shape of the annular resonator is not critical as long as each resonator has a closed ring shape.
[0030]
Similarly, the resonators can be arranged in three dimensions. That is, several resonators are arranged next to each other in a certain plane, while other resonators are arranged next to each other in parallel planes. Other resonators can be concentric with respect to adjacent resonators. When the resonators are equally spaced, the optical coupling of the resonators in parallel planes is at least 10 times (Faktor) better than the optical coupling of one-dimensional resonators due to epitaxy.
[0031]
Embodiments of the present invention are shown in the drawings and are described in detail below. Here, the same reference numerals indicate the same members.
[0032]
FIG. 1 is a plan view of a laser structure according to a first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view of the laser structure of FIG. 1 along line AA. FIG. 3 is a plan view of a laser structure according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a plan view of a laser structure according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of the laser structure of FIG. 4 along line BB.
[0033]
FIG. 1 shows a plan view of a laser structure 100 according to a first embodiment of the present invention. The laser structure 100 includes a Fabry-Perot resonator 110 for emitting a laser beam. In this Fabry-Perot resonator 110, an active resonator region 111 is provided between two resonator mirrors 112 arranged in parallel to each other. Electric energy is supplied to the active resonator region 111 through the electric contact portion 113.
[0034]
The first annular resonator 120 is optically coupled to the Fabry-Perot resonator 110 for adjusting the emitted laser beam. In the present embodiment according to the present invention, the first annular resonator 120 has a rectangular shape with rounded corners. Since the first annular resonator 120 is arranged in parallel on the two long sides thereof, the Fabry-Perot resonator 110 and the adjacent Fabry-Perot resonator 110 are arranged at a predetermined interval. . The first annular resonator 120 serves as a wavelength filter for the laser beam emitted from the Fabry-Perot resonator 110. The electrical contact portion 121 is provided in the first annular resonator 120 in order to supply energy to the first annular resonator 120.
[0035]
In this embodiment of the present invention, eight second annular resonators 130 each having one electrical contact 121 are disposed in the region of the laser structure 100 surrounded by the first annular resonator 120, and The second annular resonators 130 are arranged to interact with each other by optical coupling. Accordingly, the resonance frequency of the second annular resonator 120 can be adjusted, and accordingly, the wavelength of the Fabry-Perot resonator 110 that emits laser light can be adjusted more accurately.
[0036]
The third annular resonators 140 having the electrical contact portions 121 are arranged adjacent to each other inside the second annular resonators 130. However, the diameter of the third annular resonator 140 is smaller than the diameter of the second annular resonator 130. In this case, each third annular resonator 140 is first optically coupled to the second annular resonator 130 surrounding each third annular resonator 140.
[0037]
In addition, two first control resonators 150 and four second control resonators 160 each having an electrical contact 121 are arranged in the region of the laser structure 100 surrounded by the first annular resonator 120. Moreover, the optical couplings of the individual annular resonators are arranged so that they can be turned on and off. As a result, the resonance frequency of the first annular resonator 120 can be accurately adjusted, and as a result, the laser structure 100 as a whole can emit a wavelength in a narrow frequency band.
[0038]
To illustrate the arrangement of the laser structure 100, FIG. 2 shows a cross-section 200 along line AA of the laser structure 100 shown in FIG. From the cross-section 200 it becomes clear that the laser structure 200 is based on the substrate 201.
[0039]
The cross section of the active resonator region 111 of the Fabry-Perot resonator 110 and the first annular resonator 120 is also shown. These two resonators are arranged next to each other on a plane parallel to the surface of the substrate 201. The two resonators are electrically insulated from each other by the insulating material 202 and electrically insulated from the outside. A dielectric material can be selected as the insulating material 202. Alternatively, the insulating material 202 can be completely omitted by performing insulation with air.
[0040]
Electrical energy is supplied to the two resonators by the electrical contact portions 113 and 121. In this case, the electric energy flow 203 flows laterally through the resonator. The two resonators have a width of up to 20 μm and are spaced from each other by up to 5 μm.
[0041]
The optical coupling of this resonator is based on the optical overlap between the two resonance wavelengths. As a result, a light energy flow 204 is possible between the two resonators.
[0042]
FIG. 3 shows a plan view of a laser structure 300 according to a second embodiment of the present invention.
[0043]
Unlike the laser structure 100 according to the first embodiment of the present invention, laser light is emitted by the curved resonator 310 having the active resonator region 311, the resonator mirror 312, and the electrical contact portion 313.
[0044]
A second annular resonator 330 having a smaller size is disposed inside the first annular resonator 320, and the third annular resonator 340 is disposed in one of the second annular resonators 330 in a nested manner. ing.
[0045]
The annular resonator according to the present embodiment is also capable of optical coupling between the first annular resonator 320, the second annular resonator 330, and the third annular resonator 340. It also has an oval shape to allow coupling. As a result, all of the annular resonators are arranged so as to be adjacent to each other, and at least at a common portion with respect to the curved resonator 310 being arranged at substantially constant intervals. .
[0046]
By nesting the annular resonator, the laser structure 300 according to the second embodiment requires less area on the semiconductor substrate, like the laser structure 100 according to the first embodiment.
[0047]
FIG. 4 shows a plan view of a laser structure 400 according to a third embodiment of the present invention.
[0048]
The members already described in FIG. 1 will not be described again in detail here.
[0049]
The laser structure 400 of the present embodiment is different from the laser structure 100 of the first embodiment in the following features (1) to (3):
(1) The first annular resonator 410 having the nested second annular resonator 420 is disposed adjacent to a plane parallel to the plane of the Fabry-Perot resonator 110. See description of FIG.
(2) In addition to the first annular resonator 410, the third annular resonator 430 group nested in the first annular resonator 410 and the fourth annular resonator group 440 nested in each other are directly transmitted to the Fabry-Perot resonator 110. Are combined.
(3) The second annular resonator 420, the third annular resonator 430, and the fourth annular resonator 440 are hexagons.
[0050]
FIG. 5 shows a cross-section 500 along line BB of the laser structure 400 shown in FIG. In this figure, among other things, the arrangement of the resonators in a plurality of planes becomes clear.
[0051]
The members already described in the previous figures will not be described again here.
[0052]
By arranging the resonators on a plurality of parallel surfaces, on the one hand, the optical coupling of the resonators takes place on one surface. As a result, a horizontal light energy flow 501 is possible between the first annular resonator 410 and the second annular resonator 420. On the other hand, the resonator is optically coupled between adjacent surfaces. This allows a vertical light energy flow 502 between the active resonator region 111 of the Fabry-Perot resonator 110 and the first annular resonator 410.
[0053]
Thus, the radiation laser wavelength is caused by a mixture of optically coupled independent resonators, ie, optical wave functions of the resonant waves from the various resonators, to the radiation resonator.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]
It is a top view of the laser structure in a 1st embodiment of the present invention.
[Figure 2]
2 is a cross-sectional view of the laser structure of FIG. 1 along line AA. FIG.
[Fig. 3]
It is a top view of the laser structure in 2nd Embodiment of this invention.
[Fig. 4]
It is a top view of the laser structure in 3rd Embodiment of this invention.
[Figure 5]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the laser structure of FIG. 4 along line BB.
[Explanation of symbols]
100 Laser structure 110 of the first embodiment Fabry-Perot resonator 111 Active resonator region 112 Resonator mirror 113 Electrical contact portion 120 First annular resonator 121 Electrical contact portion 130 Second annular resonator 140 Third annular resonator 150 First switching resonator 160 Second switching resonator 200 AA cross section 201 of laser structure 100 Substrate 202 Insulating material 203 Electric energy flow 204 Optical energy flow 300 Laser structure 310 of the second embodiment Curved resonator 311 Active Resonator region 312 Resonator mirror 313 Electrical contact 320 First annular resonator 330 Second annular resonator 340 Third annular resonator 400 Laser structure 410 of the third embodiment First annular resonator 420 Second annular resonator 430 Third annular resonator 440 Fourth annular resonator 500 Laser Section B-B 501 flow horizontal optical energy flow 502 vertical light energy granulation 400

Claims

A laser structure on a semiconductor substrate,
A first resonator, a second resonator, and a third resonator;
The second resonator and the third resonator are configured as annular resonators,
The second resonator is disposed at at least one common portion near the first resonator at a substantially constant interval from the first resonator,
The third resonator is arranged at a substantially constant interval from the second resonator or the first resonator in at least one common part in the vicinity of the second resonator or the first resonator,
The second resonator is optically coupled to the first resonator so that a standing wave having a predetermined wavelength can be formed by the first resonator, and the third resonator is interposed via the second resonator. Alternatively, the laser structure is directly optically coupled to the first resonator.

2. The laser structure according to claim 1, wherein the second resonator and the third resonator are arranged in a nested manner on the same plane.

2. The laser structure according to claim 1, wherein the second resonator and the third resonator are arranged adjacent to each other in a plane parallel to each other.

The second resonator and the third resonator are disposed on a first plane, and the first resonator is disposed on a plane parallel to the first plane. The laser structure according to claim 2.

Each of the first to third optically coupled resonators can be changed by at least one external parameter, and can affect a predetermined wavelength of the first resonator. The laser structure according to any one of 1 to 4.

6. The laser structure according to claim 5, wherein the external parameter group includes a current flow, a temperature, and an applied voltage.

7. At least one other resonator is optically coupled to the first resonator directly or via one of the resonators other than the first resonator. The laser structure according to any one of the above.

2. The apparatus according to claim 1, further comprising at least one other resonator disposed adjacent to the first to third resonators and capable of controlling optical coupling between the first to third resonators. The laser structure according to any one of 1 to 7.

The second resonator, the third resonator, and each of the other annular resonators are all provided as wavelength filters that act on the first resonator. 9. The laser structure according to any one of items 8.

The second resonator, the third resonator, and each of the other resonators are each configured as a distributed feedback resonator or a distributed Bragg reflection resonator. Item 10. The laser structure according to any one of Items 1 to 9.

A method of adjusting a predetermined wavelength,
Providing a laser structure on a semiconductor substrate with a first resonator;
Disposing an annular resonator as a second resonator in at least one common portion near the first resonator at a substantially constant interval from the first resonator;
Another annular resonator as a third resonator is connected to the second resonator or the first resonance in the vicinity of the second resonator or at least one common portion in the vicinity of the first resonator. A step of disposing from the vessel at a substantially constant interval;
The second resonator is optically coupled to the first resonator so that a standing wave having a predetermined wavelength can be formed by the first resonator, and the third resonator is connected to the first resonator via the second resonator. Or a direct wavelength optical coupling step to the first resonator.